典型激光器課件

典型激光器梅曼和第一只激光器二十世紀(jì)四大發(fā)明——半導(dǎo)體；原子能；計算機(jī)；激光1917年愛因斯坦提出了受激輻射理論；

1958年肖洛和湯斯發(fā)表了《紅外線和光的微波激器》；

1960年梅曼制成了世界上第一臺激光器——紅寶石激光器A.愛因斯坦對現(xiàn)物理方面的貢獻(xiàn)，特別是闡明光電效應(yīng)的定律1921諾貝爾物理學(xué)獎A.M.普洛霍羅夫在量子電子學(xué)中的研究工作導(dǎo)致微波激射器和激光器的制作

1964諾貝爾物理學(xué)獎1964C.H.湯斯在量子電子學(xué)的基礎(chǔ)研究導(dǎo)致根據(jù)微波激射器和激光器原理構(gòu)成振蕩器和放大器1964諾貝爾物理學(xué)獎N.G.巴索夫

用于產(chǎn)生激光光束的振蕩器和放大器的研究工作1964諾貝爾物理學(xué)獎固體激光的發(fā)展史，就是固體激光材料的發(fā)展歷史。一代材料，一代器件激光的來歷

1964年12月，在上海召開的全國第三屆受激光發(fā)射學(xué)術(shù)報告會上，根據(jù)錢學(xué)森教授的提議，決定把這種光輻射稱為“激光”。第5章典型激光器按工作波段分類遠(yuǎn)紅外、紅外激光器可見光激光器紫外、真空紫外激光器X光激光器按運(yùn)轉(zhuǎn)方式分類連續(xù)激光器脈沖激光器超短脈沖激光器按工作物質(zhì)分類固體激光器氣體激光器染料激光器半導(dǎo)體激光器激光器的工作原理自由輻射、受激吸收和受激輻射——工作物質(zhì)——激勵能源——光學(xué)諧振腔產(chǎn)生激光必要條件1.實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)２.使原子被激發(fā)３.要實(shí)現(xiàn)光放大激光的形成過程

工作物質(zhì)激勵、受激輻射自激振蕩增益

外界能量注入（泵浦）光學(xué)諧振腔部分反射鏡全反射鏡光學(xué)諧振腔5.1.1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)與工作物質(zhì)一、固體激光器基本上都是由工作物質(zhì)、泵浦系統(tǒng)、諧振腔和冷卻、濾光系統(tǒng)構(gòu)成的。圖5-1是長脈沖固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖(冷卻、濾光系統(tǒng)未畫出)。圖5-1固體激光器的基本結(jié)構(gòu)示意圖工作物質(zhì)是激光器的核心，不同的工作物質(zhì)制作了各種各樣的激光器，最常用的是紅寶石激光器、摻釹釔鋁石榴石（YAG）激光器和釹玻璃激光器。分屬于三能級或四能級系統(tǒng)。問題：哪種能級的激光系統(tǒng)更容易出光？二、紅寶石激光器（1）紅寶石晶體紅寶石的化學(xué)表示式為Cr3+:Al203,其激活離子是三價鉻離子Cr3+,基質(zhì)是剛玉晶體(化學(xué)成分是A12O3)。紅寶石屬六方晶系,是無色透明的負(fù)單軸晶體。

紅寶石是在Al2O3中摻入少量，適量的Cr3+,使Cr3+部分地取代Al3+而成。摻入Cr2O3的最佳量一般在0.05%(重量比)左右,相應(yīng)的Cr3+密度為ntot=1.58x1019cm-3。

紅寶石的光譜特性主要取決于Cr3+。紅寶石中Cr3+的工作能級屬三能級系統(tǒng)。如圖5-3所示。4A2是基態(tài)又是激光下能級,2E是亞穩(wěn)態(tài),它是由能量差為29cm^(-1)的2A和E二能級組成。4F1和4F2是兩個吸收能帶。圖(5-3)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)紅寶石的吸收光譜如圖5-2所示。由4A2向4F1躍遷吸收紫藍(lán)光,峰值波長在0.41um附近,稱為紫帶或U帶。由4A2向4F2躍遷吸收黃綠光,峰值波長在0.55μm附近,稱為綠帶或Y帶。這是兩個很強(qiáng)很寬的吸收譜帶,吸收帶寬均約0.1um左右。由于紅寶石晶體的各向異性,它的吸收特性與光的偏振狀態(tài)有關(guān)。在入射光的振動方向與晶體光軸C相垂直或平行這兩種情況下,其吸收曲線略有差別,見圖5-2。圖(5-2)紅寶石中鉻離子的吸收光譜圖(5-3)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)紅寶石有兩條強(qiáng)熒光譜線(R1和R2線),分別為E和2A能態(tài)向4A2躍遷產(chǎn)生的,室溫下對應(yīng)的中心波長分別為0.6943um（占優(yōu)勢）和0.6929um。問題：熒光和激光的區(qū)別？激光選頻可用什么方法？紅寶石激光器通常只產(chǎn)生0.6943um的受激輻射。這是因?yàn)閬喎€(wěn)態(tài)能級2E分裂成2A和E兩能級,躍遷到2E上的粒子按波爾茲曼分布規(guī)律分布于2A和E上,2A能級上約占47%,E能級上約占53%。這就是說E能級比2A能級有更多的粒子數(shù)。而且R1線熒光強(qiáng)度比R2線高,使得R1線的受激輻射幾率比R2線高。因此,R1線容易達(dá)到閾值而形成激光振蕩。同時,2A和E相距很近,一旦E上的粒子躍遷后,2A上的粒子便迅速地(約10ns)轉(zhuǎn)移到E上去,這就加強(qiáng)了R1線,而抑制了R2線。在激光脈沖持續(xù)時間遠(yuǎn)大于10-9s時,亞穩(wěn)態(tài)上的位子均將通過R1線的受激輻射回到基態(tài),因此可把E,2A合并起來看成一個簡并度。缺點(diǎn):閾值高(因是三能級)、溫度效應(yīng)嚴(yán)重。優(yōu)點(diǎn):機(jī)械強(qiáng)度高,能承受很高的激光功率密度;容易生長成較大尺寸;亞穩(wěn)態(tài)壽命長,儲能大,可得到大能量輸出;容易獲得大能量的單模輸出;低溫性能良好,可得到連續(xù)輸出;紅寶石激光器輸出的紅光(0.6943um),不僅能為人眼可見,而且很容易被探測接收(目前大多數(shù)光電元件和照相乳膠對紅光的感應(yīng)靈敏度較高)。用紅寶石制成的大尺寸單脈沖器件輸出能量已達(dá)上千焦耳。單級調(diào)Q器件很容易得到幾十兆瓦的峰值功率輸出(用這類器件已成功地對載有角反射器的人造衛(wèi)星進(jìn)行了測距試驗(yàn))。多級放大器件的輸出峰值功率已達(dá)數(shù)千兆瓦到一萬兆瓦。紅寶石在激光發(fā)展上是貢獻(xiàn)比較大的一種晶體。圖(5-3)紅寶石中鉻離子的能級結(jié)構(gòu)1960年5月15日，加州休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼（T.H.Maiman,1927）制成了世界上第一臺紅寶石激光器，獲得了世界上第一束激光，波長為694.3納米。紅寶石激光器Nd3+:YAG是YAG晶體(釔鋁石榴石晶體Y3Al5O12的簡稱)。Nd3+部分取代YAG中的Y3+便成為Nd3+:YAG。一般含Nd3+量為1%原子比,顏色為淡紫色。實(shí)際制備時是將一定比例的A1203、Y2O3和Nd2O3在單晶爐中熔化結(jié)晶而成。Nd3+:YAG是各向同性晶體。三、摻釹釔鋁石榴石(Nd3+:YAG)摻釹釔鋁石榴石激光器的激活粒子是釹離子(Nd3＋)，其吸收光譜如圖(5-4)所示圖(5-4)Nd3＋:YAG晶體的吸收光譜圖(5-5)Nd3＋:YAG的能級結(jié)構(gòu)YAG中Nd3＋與激光產(chǎn)生有關(guān)的能級結(jié)構(gòu)如圖(5-5)所示。它屬于四能級系統(tǒng)。1.06um比1.35um的熒光約強(qiáng)四倍,1.06um的譜線先起振,進(jìn)而抑制1.35um譜線起振,所以Nd3+:YAG激光器通常只產(chǎn)生1.06um激光。只有采取選頻措施，才能實(shí)現(xiàn)1.35um波長的激光振蕩。閾值低、導(dǎo)熱性好，適宜于連續(xù)和高重復(fù)率工作。1kW的脈沖Nd:YAG激光器燈泵浦Nd:YAG激光器

大功率激光器中，典型的Nd:YAG棒一般是長150mm，直徑7-10mm。泵浦過程中激光棒發(fā)熱，限制了每個棒的最大輸出功率。單棒Nd:YAG激光器的功率范圍約為50-800W。四、釹玻璃激光器繼1960年第一臺紅寶石激光器問世后,1961年便出現(xiàn)了釹玻璃激光器。釹玻璃是在某種成分的光學(xué)玻璃中摻入適量的Nd2O3制成的。最佳摻入Nd2O3量為1%~5%重量比。Nd3+在硅酸鹽、棚酸鹽和磷酸鹽玻璃系統(tǒng)用得最多。玻璃的制備工藝比較成熟,易獲得良爭好的光學(xué)均勻性,玻璃的形狀和尺寸也有較大的可塑性。大的釹玻璃棒長可達(dá)1~2m,直徑30~100mm,可用來制成特大能量的激光器。小的可以做成直徑僅幾微米的玻璃纖維,用于集成光路中的光放大或振蕩。同時，價格便宜。釹玻璃最大的缺點(diǎn)是導(dǎo)熱率太低,熱脹系數(shù)太大,因此不適于作連續(xù)器件和高頻運(yùn)轉(zhuǎn)的器件,且在應(yīng)用時要特別注意防止自身破壞。同時，受熱效應(yīng)影響，激光的輸出質(zhì)量變差。

躍遷譜線:

①1.06μm:四能級系統(tǒng),躍遷幾率大,通?？捎^察到;

②1.4μm:四能級系統(tǒng),躍遷幾率較小,不一定可觀察到;③0.9μm:三能級系統(tǒng),難實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn),一般不出現(xiàn).5.1.2固體激光器的泵浦系統(tǒng)一、固體激光器工作物質(zhì)是絕緣晶體，一般都采用光泵浦激勵。最常用的泵浦光源有惰性氣體放電燈(燈內(nèi)充入氙山、氪等惰性氣體)、金屬蒸氣燈(燈內(nèi)充入汞、鈉、餌等金屬蒸氣）、鹵化物燈(碘鎢燈、鑷鎢燈等)、半導(dǎo)體激光器、日光泵(用聚光鏡將日光會聚到激光棒中)等。脈沖氙燈的輻射強(qiáng)度和輻射效率較其他燈都高,是紅寶石釹玻璃和Nd:YAG脈沖激光器中應(yīng)用最廣泛的一種燈.氪燈在低電流密度下工作時,其輻射光譜與Nd:YAG泵浦吸收帶相匹配,故在連續(xù)和小能量脈沖Nd:YAG器件中得到比較多的采用。碘鎢燈用220V電壓即可,使用簡單、方便,在功率小于1OW的連續(xù)Nd:YAG器件中可以應(yīng)用。紅寶石連續(xù)激光器多用高壓汞蒸氣燈,它的輻射譜與紅寶石吸收譜能很好的匹配。砷化鎵半導(dǎo)體激光器體積小,產(chǎn)生的激光又與摻釹工作物質(zhì)吸收譜相匹配,可用于小型摻釹激光器。日光泵適用于空間技術(shù)中的激光器。在各種泵浦光源中,以惰性氣體放電燈應(yīng)用最普遍。燈泵浦系統(tǒng)包括泵燈和聚光器。二、泵浦光源應(yīng)當(dāng)滿足兩個基本條件。①有很高的發(fā)光效率②輻射的光譜特性應(yīng)與激光各種物質(zhì)的吸收光譜相匹配.1、惰性氣體放電燈的結(jié)構(gòu)一般都是由電極、燈管和充入的氣體組成。見圖(a)。

電極是用高熔點(diǎn)、高電子發(fā)射率,又不易濺射的金屬材料制成。常用的電極材料有鎢，釷鎢，鋇鎢和鈰鎢,高功率燈的電極要設(shè)計成水冷結(jié)構(gòu),見圖(b),燈管用機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、透光性能好的石英玻璃制成。燈管內(nèi)充入氙(Xe)、氪(kr)氣體。2、氙燈在低電流密度放電(如連續(xù)燈放電和小能量脈沖燈放電)時,輻射的特征譜線的峰值波伏在0.84、0.9和1um附近。氪燈在低電流密度放電時,輻射的特征譜線的峰值波長在0.76、0.82和0.9um附近。可見,氪燈的特征譜線與Nd:YAG的主要泵浦吸收帶相匹配,因此連續(xù)和小能量(<10J)脈沖Nd:YAG激光器用氪燈泵浦效率較高。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)、充氣壓增高,特征譜線的線寬也增加。隨著放電流密度的增大,連續(xù)譜增加的份量比線譜多,當(dāng)電流密度增加到一定值后,連續(xù)譜逐漸掩蓋了線光譜,與黑體輻射相接近,且短波部分的增長比長波快,光譜重心移向短波。因此,在高電流密度放電情況下,有利于紅寶石的吸收。大中型釹玻璃和Nd:YAG脈沖激光器,由于泵燈的放電電流密度高,燈輻射的特征譜線相對減弱,此時應(yīng)采用輻射能量大、效率較高的脈沖氙燈。圖a橢圓柱聚光腔3聚光器(或稱泵浦腔)的作用是將泵浦光源輻射的光能最大限度地聚集到工作物質(zhì)上去，聚光器設(shè)計得好壞直接影響激光器的轉(zhuǎn)換效率和激光性能。（1）.聚光器的類型①橢圓柱聚光器。這種聚光器的內(nèi)反射表面的橫截面是一橢圓。因?yàn)閺臋E圓一個焦點(diǎn)發(fā)出的所有光線,經(jīng)橢圓面反射后將會聚到另一焦點(diǎn)上。因此,如果把直管燈和棒分別置于橢圓柱聚光器的兩條焦線上(如圖a所示),則可以得到比較好的聚光效果，這種放置方法稱為“焦上放置”。三、固體激光器的泵浦系統(tǒng)還要冷卻和濾光。常用的冷卻方式有液體冷卻、氣體冷卻和傳導(dǎo)冷卻等，其中以液冷最為普遍。四、泵浦燈和工作物質(zhì)之間插入濾光器件濾去泵浦光中的紫外光譜（它在工作物質(zhì)中形成色心，使激光性能劣化）。（2）聚光器的材料選擇制做聚光器時，常用的金屬材料有鋁、銅和不銹鋼，常用的非金屬材料有玻璃、陶瓷等。鋁通常用在輕型系統(tǒng)中；如果重量要求不嚴(yán)時，最好選用銅，這是因?yàn)殂~的熱脹。熱導(dǎo)率高；不銹鋼具有不易生銹和拋光精度高等優(yōu)點(diǎn)，但熱導(dǎo)率很低，僅為銅的1／10。玻璃和陶瓷雖然易碎，導(dǎo)熱性差，但它們具有金屬所沒有的優(yōu)點(diǎn)，如不生銹，不易被腐蝕。陶瓷的漫反射性能也好，可制成反射率很高的漫反射激光器。5.1.3固體激光器的輸出特性1.固體激光器的激光脈沖特性2.轉(zhuǎn)換效率總體效率定義為激光輸出與泵浦燈的電輸入之比。對于連續(xù)激光器(用功率描述)和脈沖激光器(用能量描述)分別表示為：一般的脈沖固體激光器產(chǎn)生的激光脈沖是由一連串不規(guī)則振蕩的短脈沖(或稱尖峰)組成的，各個短脈沖的持續(xù)時間約為(0.1

1)

m，各短脈沖之間的間隔約為(5

10)

s。泵浦光愈強(qiáng)，短脈沖數(shù)目愈多，其包絡(luò)峰值并不增加。固體激光器運(yùn)轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)換效率太低。紅寶石激光器的總體效率為0.5%～1%左右,YAG激光的總體效率為1%～2%左右